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Atomtransport mit Lichtpinzetten

Kontinuierlich strahlender Atomlaser in greifbarer Nähe

Von Rainer Scharf

Kühlt man atomare Gase bestimmter chemischer Elemente auf extrem tiefe Temperaturen, so verlieren die Atome ihre Identität. Sie gehen alle in denselben Quantenzustand über und bilden ein Bose-Einstein-Kondensat. Die Materiewellen der Atome vereinigen sich dabei zu einer großen Welle. Wenn sich diese Welle ausbreitet, ähnelt sie dem Strahl eines Lasers, der allerdings nicht aus Photonen besteht, sondern aus Atomen. Bislang hatten Atomlaser den Nachteil, daß sie nur so lange strahlten, bis alle Atome aus dem Bose-Einstein-Kondensat entwichen waren. Jetzt ist es Forschern in den Vereinigten Staaten erstmals gelungen, das Kondensat stetig aufzufüllen und damit die Voraussetzung für einen kontinuierlich strahlenden Atomlaser zu schaffen.

Um ein unerschöpfliches Bose-Einstein-Kondensat zu erhalten, haben die Forscher um den Nobelpreisträger Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge die aus dem Kondensat entweichenden Atome fortlaufend ersetzt. Die hinzukommenden Atome mußten so kalt sein wie das Kondensat selbst. Andernfalls hätten sie es durch ihre Wärmebewegung zerstört. Die Forscher gingen so vor, daß sie alle 18 Sekunden ein weiteres Kondensat herstellten und es dem schon bestehenden behutsam hinzufügten. Dieser Vorgang wurde viele Male wiederholt.

Zur Herstellung eines Kondensats wurden die Atome in einer Magnetfalle festgehalten und durch Wechselwirkung mit Laserlicht auf etwa ein zehntausendstel Kelvin vorgekühlt. Nach Abschalten des Lichtes ließ man einen Teil der Atome aus der Magnetfalle verdampfen. Dadurch kühlten sich die zurückbleibenden Atome auf weniger als ein Millionstel Kelvin ab, und es entstand ein Bose-Einstein-Kondensat aus etwa zwei Millionen Atomen. Mit einer "optischen Pinzette" wurde das Kondensat ergriffen und etwa 30 Zentimeter weit zu einem in sicherer Entfernung gehaltenen Reservoir transportiert.

Die optische Pinzette bestand aus einem Laserstrahl, der mit einer Linse fokussiert wurde. Die Lichtfrequenz war so abgestimmt, daß der Strahl die Atome anzog. Die Atome bewegten sich daraufhin in den Brennpunkt des Strahls, wo die Lichtintensität besonders groß war. Durch Verschieben der Linse ließen sich der Brennpunkt und das in ihm festgehaltene Kondensat bewegen.

Wie die Forscher in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Science" berichten, konnten sie die Verschmelzung der zum Reservoir transportierten Kondensate mit dem dort schon vorhandenen Kondensat beobachten. Bei diesem Vorgang wurden die Atome geringfügig angeregt, und jedes Mal ging ein Viertel aller Atome aus dem Reservoir verloren. Dennoch konnte durch die stetige Zufuhr neuer Atome sichergestellt werden, daß die Zahl der Kondensatatome im Reservoir nie unter eine Million sank.

In weiteren Experimenten wollen die Forscher die Atome aus dem Reservoir kontrolliert entweichen lassen und auf diese Weise einen Atomlaser mit kontinuierlichem Strahl erzeugen. Die Materiewellen der Atome in diesem Strahl würden im Gleichtakt schwingen und eine große Materiewelle bilden. Allerdings änderte sich die Phase dieser Welle bei jeder neuen Befüllung des Reservoirs abrupt und in unvorhersehbarer Weise. Da die verschmelzenden Kondensate unabhängig voneinander schwingen. nimmt das aus ihnen entstehende Kondensat - und damit auch der Strahl des Atomlasers - einen anderen Schwingungszustand an. Ob sich ein stabil schwingender kontinuierlicher Atomlaser verwirklichen läßt, ist deshalb noch unklar. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 17.05.2002, Nr. 113 / Seite 44

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